关于ArcGIS 的地形图空间管理技术研究

陈浩钦

（城乡院＜广州＞有限公司 广东 广州 511300）

0 引言

地形图空间管理技术是地理信息系统（geographic information system，GIS）领域中的一个重要研究方向，旨在利用ArcGIS 平台提供的丰富功能和工具，进行地形数据的分析、建模、渲染和可视化等方面的研究。 本文将介绍ArcGIS 的概念与功能，以及地形图空间管理技术类型，包括空间分析与拓展、地形数据模型生成转换、地形因子提取、地形云渲染图制作、栅格数据裁剪等方面的技术。 同时，本文将结合实践案例，探讨空间管理技术在地形图领域的应用和效果评价。

1 ArcGIS 概念与功能

ArcGIS（arc geographic information system）是一个功能强大的构建应用平台，它可以将来自多个来源的空间数据和属性数据合成到一个统一的地理视图中，并提供各种操作来满足用户的需求。 常规条件下，ArcGIS 可以提供信息输入、存储、处理、输出、共享五个方面的功能［1］。 可以认为，ArcGIS 涵盖了信息的输入、存储、处理、输出和共享等多个方面，可以帮助用户收集、组织、管理、分析、交流和发布地理信息，从而更好地满足各种需求。

2 ArcGIS 地形图空间管理技术类型

2.1 空间分析与拓展

ArcGIS 地形图空间管理技术是一种利用ArcGIS 软件对地形数据进行输入、存储、处理、输出和共享的技术，空间分析则是通过利用空间数据的位置、形状和关系等特征，解决实际问题的一种分析方法。 在ArcGIS 中，空间分析功能较为丰富，包括缓冲区、空间聚合、空间过滤器、丰富数据、计算密度、计算密度比等，有助于进行空间分析和决策。

除了空间分析功能之外，ArcGIS 还提供了许多高级工具和方法，以进行更复杂和深入的空间分析。 例如，使用空间统计数据的预测建模可以帮助用户预测未来的空间变化趋势，从而为决策提供参考［2］。

2.2 地形数据模型生成转换

ArcGIS 地形图空间管理技术是一种利用扫描的地形图进行数字化、配准、制作三维模型和地形分析的方法。地形数据模型用于表示地表高程变化，包括数字高程模型（digital elevation model，DEM）、数字地形模型（digital terrain model，DTM）和数字表面模型（digital surface model，DSM）等。 在ArcGIS 中，生成和转换地形数据模型较为重要。 其中，DEM 用于表示地表高程数据，DTM 加入地形要素信息，DSM 表示地表和地面之间的高程变化。 生成离散的三角网模型（triangulated irregular network，TIN）和DEM 是将点云数据转换为数字高程模型的过程。 地形分析利用地形数据模型进行空间分析和决策。 制作等高线和等高面将地形数据模型转换为可视化结果，用于展示和分析地形数据。 进行地形数据模型的生成和转换时，需要进行数据格式和类型的转换，可以使用ArcGIS 工具和方法进行转换［3］。

2.3 地形因子提取

ArcGIS 地形图空间管理的地形因子提取技术是一种利用数字高程模型来生成和分析地形指标的重要技术，这些地形指标可以提供关于地形形态、特征和变化的信息，对于多个领域的研究和应用具有重要作用。 首先，生成TIN 和DEM 数据是地形因子提取技术的第一步，TIN 是一种离散的三角网模型，可以通过高程点、等高线等数据生成。 DEM 是一种栅格数据，可以通过TIN 转换或其他方法生成。 这些数据可以提供地形高程信息，为后续分析提供基础数据。 接下来，为了提高分析效率和精度，需要对DEM 数据进行裁切。 使用掩膜工具或其他工具，根据研究区域的范围进行裁切，可以提高分析效率和精度［4］。 地形指标的提取是地形因子提取技术的核心内容。 使用空间分析工具或3D 分析工具，对DEM 数据进行坡度、坡向、地形起伏度、地面粗糙度等指标的提取，可以根据需要设置参数和分类方法。 这些指标提供了关于地形的多维度信息，有助于进一步研究和应用。 最后，制作地貌晕渲图是地形因子提取技术的重要应用之一。 使用山体阴影工具或其他工具，对DEM 数据进行晕渲处理，可以生成具有立体感的地貌晕渲图。 通过调整颜色和透明度等属性，可以更加直观地展示地形特征和变化。

2.4 地形云渲染图制作

地形云渲染图制作技术是利用数字高程模型生成具有立体感和色彩变化的地图的技术。 它可以反映地形的高低起伏和晕渲效果，增强地图的美观性和可读性，用于各种专题图的底图。 制作地形云渲染图的主要步骤包括下载或导入DEM 数据、对DEM 数据进行分级设色、生成山体阴影数据和叠加山体阴影数据等。 首先，获取DEM数据并设置好空间投影。 其次，对DEM 数据进行分级设色，选择合适的色带并根据需要自定义颜色和间隔。 再次，生成山体阴影数据，设置参数影响立体效果和明暗对比。 最后，将山体阴影数据叠加在分级设色的DEM 数据之上，并设置透明度，得到地形云渲染图。 该技术在地形分析、水土流失、土地利用、土地资源评价、城市规划等方面具有重要的作用，相关步骤与示例见表1［5］。

表1 制作步骤表格

2.5 栅格数据裁剪

在GIS 应用中，数据处理是十分重要的一环。 特别是在涉及大量数据集的情况下，数据处理可以大大提高数据管理和分析的效率。 ArcGIS 作为一款成熟的GIS 软件，提供了各种数据处理工具，其中栅格数据裁剪技术是一种实用的工具。 在ArcGIS 中，栅格数据裁剪技术可以将栅格数据集的一部分提取出来，生成新的栅格数据集。 这项技术可以用于很多场景，例如，用户只关注特定区域的数据、数据集太大需要减少数据量以提高效率等等。 同时，裁剪栅格工具还支持多种裁剪方式，例如使用矩形范围、输出范围文件或要素类作为裁剪范围，并支持设置裁剪方法和格式、重采样类型和NoData 值等参数［6］。 通过使用ArcGIS 地形图空间管理的栅格数据裁剪技术，用户可以轻松地将DEM 数据集裁剪成所需的范围，提高数据管理和分析的效率。

3 空间管理技术实践应用案例

3.1 案例简介

随着城市化进程的不断推进，城市规划与生态保护问题日益凸显。 如何实现城市发展与生态保护的平衡是一个亟待解决的问题。 为此，某城市规划局采用了ArcGIS地形图空间管理技术，对城市的发展潜力和生态脆弱性进行了综合分析，制定出了科学合理的规划方案。 这项技术的运用为城市规划提供了重要支持。

3.2 空间管理技术处理

规划局利用ArcGIS 地形图空间管理技术，对地形、地貌、坡度、坡向等特征进行了分析。 团队首先获取了某市的高程点、等高线和栅格数据，然后使用ArcGIS 的3D Analyst 工具，生成TIN （见图1）和DEM（见图2）模型，对地形进行可视化和量化。 其次，利用ArcGIS 的各种工具，对原始的DEM 数据进行了重采样、投影转换、裁剪、掩膜等操作，以适应不同的分析目的和尺度。 同时，也利用ArcGIS 的空间统计和空间插值功能，对高程点数据进行了探索性分析和表面建模，以补充和优化DEM 数据。

图1 TIN 模型（以广州市增城区蕉石岭区级森林自然公园某区域为例）

图2 DEM 模型（以广州市增城区蕉石岭区级森林自然公园某区域为例）

在实践过程中，团队使用ArcGIS 的Spatial Analyst 工具，对原始的DEM 数据进行了重采样、投影转换、裁剪等操作，以适应不同的分析目的和尺度。 同时，团队还利用ArcGIS 的空间统计和空间插值功能，对高程点数据进行了探索性分析和表面建模，以补充和优化DEM 数据。 在地形数据模型生成转换阶段，团队使用ArcGIS 的3D Analyst 工具，对高程点和等高线数据进行了TIN 模型的生成，得出基于三角网格的地形表达方式。 在转换过程中，使用了ArcGIS 的转换工具，将TIN 模型转换为DEM模型，得出基于栅格的地形表达方式。 团队比较了两种模型的优缺点和适用场景，并根据需要选择了合适的模型，以进行后续分析。

在提取地形因子时，团队使用了ArcGIS 的Terrain 工具，对DEM 模型进行了坡度、坡向、曲率等地形因子的提取，得到了一系列反映地形特征和变化的栅格图层。 团队还应用了ArcGIS 的Focal Statistics 工具，对DEM 模型进行了起伏度、粗糙度等地形因子的提取，得到了一系列反映地形复杂度和差异性的栅格图层。 通过应用Hillshade工具，团队成功实现了DEM 模型的山体阴影生成，得出模拟太阳光照效果的栅格图层。 除此之外，团队还使用ArcGIS 的Raster Calculator 工具，将DEM 模型和山体阴影图层进行了叠加和透明度调整，得出具有立体感和真实感的地形云渲染图。 最后，在栅格数据裁剪过程中，团队借助Clip 工具，对DEM 模型和各种地形因子图层进行了裁剪，以去除无关区域和边缘噪声，并保持数据一致性。 随后，在Mask 工具的支持下，根据不同的专题数据和分析需求，对裁剪后的栅格数据进行了进一步的掩膜处理，提取了感兴趣的区域或特定的地物信息，实现了理想的分析管理目标。

通过以上步骤，规划局有效地利用了多源数据，进行了全面深入的地形分析，并制作出高质量的地形图。 这些成果为某市城市规划提供了科学依据和可视化支持。

3.3 效果评价

本案例使用了ArcGIS 地形图空间管理技术，对某市的地形进行了多方面的分析和制图，得到了一套符合某市城市发展和生态保护要求的规划方案。

首先，该案例应用了高精度的DEM 数据，如12.5 m分辨率的ALOS 数据，能够更好地反映地形的细节和变化。 同时，也利用了高程点、等高线等数据，进行了TIN 和DEM 模型的生成和转换，提高了数据的完整性和一致性。

其次，该案例充分利用了ArcGIS 的各种工具，对原始的DEM 数据进行了重采样、投影转换、裁剪、掩膜等操作，以适应不同的分析目的和尺度。 同时，也对生成的等高线数据进行了简化、平滑、去除碎部等操作，提高了数据的美观性和可读性。 再次，这个案例使用了ArcGIS 的Terrain工具和Spatial Analyst 工具，对DEM 数据进行了坡度、坡向、曲率、起伏度、粗糙度等地形因子的提取，得到了一系列反映地形特征和变化的栅格图层。

最后，该案例使用了ArcGIS 的Hillshade 工具和Raster Calculator 工具，对DEM 数据进行了山体阴影的生成和地形云渲染图的制作，得出具有立体感和真实感的地形表达方式。 此外，案例还利用了ArcGIS 的Layout View工具，对生成的各种地形图和评价图进行了布局设计和注记添加，得到了一套完整的地形分析与规划报告图集。 综合分析，这个案例有效地利用了多源数据，进行了全面深入的地形分析，并制作出高质量的地形图。 因此，该技术的实施能够为城市规划提供科学依据和可视化支持。

4 结语

综上所述，本文介绍了ArcGIS 的概念和功能，以及地形图空间管理技术的类型，包括空间分析与拓展、地形数据模型生成转换、地形因子提取、地形云渲染图制作和栅格数据裁剪等。 结合实践案例说明ArcGIS 地形图空间管理技术在城市规划与生态保护中的实际应用和效果评价。研究结果表明，ArcGIS 地形图空间管理技术能够有效地利用多源数据，进行全面深入的地形分析，并制作出高质量的地形图。 该技术为地理信息系统的发展和应用提供了有力的支持，并为城市规划与生态保护提供了科学依据和可视化支持。 本研究也存在一些不足之处，例如数据来源的局限性、数据处理的复杂性、数据分析的主观性等，需要在今后的研究中进一步改进和优化。